建筑幕墙抗震设计探讨

摘要:本文探讨如何在建筑幕墙工程中贯彻抗震规范，从而使房屋建筑和工程设施的抗震能力得到进一步提高，建造更为耐震的建筑结构(建筑幕墙)。笔者根据个人学习抗震规范及幕墙设计的体会，提出建筑幕墙抗震设计的一些要点，供幕墙工程技术人员在进行抗震设计时参考。

关键词:地震破坏；设防目标；幕墙抗震设计；幕墙抗震构造；幕墙抗震试验

一、建筑幕墙抗震设计

在地震作用下，幕墙产生两类效应，即直接效应和附加效应。直接效应是幕墙直接受到地震作用，使幕墙玻璃震碎，幕墙框架变形或破坏，连接件失效等。附加效应是当地震作用于建筑时，建筑物主体框架产生平面内外变形，引起幕墙的变形或破坏，其中平面内效应对幕墙影响最大。

(一) 影响建筑幕墙抗震性的因素

1. 主体结构楼层最大弹性层间位移角：

建筑幕墙平面内变形性能以建筑幕墙层间位移角为性能指标。在抗震设计时，指标值应不小于主体结构弹性层间位移角控制值的3倍。主体结构楼层最大弹性层间位移角控制值可按下表的规定执行。

主体结构楼层最大弹性层间位移角

建筑高度

结构类型 建筑高度H（m）

H≤150 150＜H≤250 H＞250

钢筋

混凝土

结构 框架 1/550 ― ―

板柱-剪力墙 1/800 ― ―

框架-剪力墙、框架-核心筒 1/800 线性插值 ―

筒中筒 1/1000 线性插值 1/500

剪力墙 1/1000 线性插值 ―

框支层 1/1000 ― ―

多、高层钢结构 1/300

注：1）表中弹性层间位移角=Δ/ h ,Δ为最大弹性层间位移量，h为层高。

2）线性插值系指建筑高度在150 m ~250 m间，层间位移角取1/800（1/1000）与1/500线性插值。

平面内变形性能分级指标γ应符合下表的要求。

建筑幕墙平面内变形性能分级

分级代号 1 2 3 4 5

分级

指标值γ γ＜1/300 1/300≤γ

＜1/200 1/200≤γ

＜1/150 1/150≤γ

＜1/100 γ≥1/100

注： 表中分级指标为建筑幕墙层间位移角

2.地震作用：

1)抗震设防地区，应考虑地震作用。

垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值可按下式计算：

qEAk=βEαmaxGk/A

qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值(KN/m2)；

βE：动力放大系数,取5.0；

αmax：水平地震影响系数最大值；

Gk：幕墙构件的重力荷载标准值(KN)；

A：幕墙构件的面积(m2)；

对于深圳地区，水平地震影响系数最大值αmax取0.08，根据《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ l02一2003）可按下表采用:

竖向幕墙和与水平面夹角大于75度、小于90度的斜玻璃幕墙，且抗震设防烈度不大于8度，所以，深圳地区幕墙可不考虑竖向地震作用效应的计算和组合。但地震是动力作用，对连接节点会产生较大的影响，使连接发生震害甚至使建筑幕墙脱落、倒坍。所以，除计算地震作用外，还必须加强构造措施。

2) 幕墙构件承载力极限状态设计时，其作用效应的组合应符合下列规定：

S=γGSGk+ψwγwSwk+ψEγESEk

上式中：

S：作用效应组合的设计值；

SGk：重力荷载作为永久荷载产生的效应标准值；

Swk：风荷载作为可变荷载产生的效应标准值；

SEk：地震作用作为可变荷载产生的效应标准值；

γG：永久荷载分项系数；

γw：风荷载分项系数；

γE：地震作用分项系数；

ψw：风荷载的组合值系数。

ψE：地震作用的组合值系数

进行幕墙构件的承载力设计(幕墙构件强度、连接件和预埋件承载力计算)时，作用分项系数应按下列规定取值：一般情况下，

永久荷载：γG：1.2； 风 荷 载：γw：1.4； 地震作用：γE：1.3；进行挠度计算时； 重力荷载：γG：1.0； 风 荷 载：γw：1.0；

地震作用：可不做组合考虑；

可变作用的组合值系数应按下列规定采用：一般情况下，

风荷载的组合值系数φw应取1．0，

地震作用的组合值系数φE应取0．5。

作用在幕墙上的风荷载、地震作用都是可变作用，同时达到最大值的可能性很小。因此，在进行效应组合时，第一个可变作用的效应应按100％考虑(组合演系数取1．0)．第二个可变作用的效应可进行适当折减(乘以小于1．0的组合值系数)。

在重力荷载、风荷载、地震作用下，幕墙构件产生的内力(应力)应按基本组合进行承载力极限状态设计，求得内力(应力)的设计值，以最不利的组合作为设计的依据。作用效应组合时的分项系数按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009―2001和《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001的规定采用。

在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011―2001中规定，当地震作用与风荷载同时考虑时，风的组合值系数取为0.2。由于幕墙暴露在室外，受风荷载影响较为显著，风荷裁作用效应比地震作用效应大，应作为第一可变作用，其组合值系数一般取1.0。地震作用作为第二个可变荷载时，现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009―2001和《建筑抗震设计规范》GB 50011―2001，都没有规定确切的组合值系数；考虑到幕墙工程中地震作用效应一般不起控制作用，同时考虑到幕墙结构设计的安全性，本规范规定其组合值系数取0.5。

结构的自重是经常作用的永久荷载，所有的基本组合工况中部必须包括这一项。当永久荷载(重力荷载)的效应起控制作用时，其分项系数γG应取1.35，但参与组合的可变作用仅限于竖向荷载，且应考虑相应的组合值系数，对一般幕墙构件，当重力荷载的效应起控制作用时(γG取1．35)，可不考虑风荷载和地震作用；对水平倒挂玻璃及其框架，风荷载是主要竖向可变荷载，此时，风荷载的组合值系数取0．6，与《建筑结构荷载规范》GB50009―2001的规定一致。当永久荷载作用对结构设计有利时，其分项系数γG应取不大于1.0。

竖向幕墙和与水平面夹角大于75度、小于90度的斜玻璃幕墙，且抗震设防烈度不大于8度时，可不考虑竖向地震作用效应的计算和组合。对于大跨度的玻璃雨篷、通廊、采光顶等构造设计，应考虑竖向地震作用效应的计算和组合。

幕墙结构构件承载力设计中，理论上可考虑下列典型组合工况：

(1)．1.2G+1．0×1.4W

(2)．1.0G+1．0×1.4W

(3)．1.2G+1．0×1.4W十0.5×1.3E

(4)．1.0G+1．0× 1.4W+0.5 × 1.3E

(5)．1. 35G+0.6×1.4W(风荷载向下)

(6)．1.0G+1．0×1.4W(风荷载向上)

(7)．1.35G

在组合工况中，G、W、E分别代表重力荷载、风荷载、地震作用标准值产生的应力或内力。对不同的幕墙构件应采用不同的组合工况，如第5、6项一般仅用于水平倒挂幕墙的设计。另外，作用效应组合时，应注意各种作用效应的方向性，不同方向的作用效应是不能进行组合的。

(二)幕墙抗震性能设计基本要求

1. 明框幕墙的玻璃边缘至边框槽底的间隙应符合下式要求：

式中ul i m ― 由主体结构层间位移因起的分格框的变形限值（mm）；

L1 ― 矩形玻璃板块竖向边长（mm）；

L2 ― 矩形玻璃板块横向边长（mm）；

c1 ―玻璃与左、右边框的平均间隙（mm），取值时应考虑1.5mm的施工偏差；

c2 ―玻璃与上、下边框的平均间隙（mm），取值时应考虑1.5mm的施工偏差；

注：抗震设计时，ul i m应根据主体结构弹性层间位移角限值的3倍确定。

2. 硅酮结构密封胶应根据不同的受力情况进行承载力极限状态验算。在风荷载、水平地震作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f1，f1应取0．2N／mm2；在永久荷载作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f2，f2应取0．01N／mm2。

1) 地震作用下隐框幕墙硅酮结构密封胶的粘接厚度tsz应符合下面的要求:

tsz =usz δz (2+δz)

us=θhg

式中

tsz：地震作用下结构胶粘结厚度计算值(mm)；

usz：在地震作用下玻璃与玻璃附框型材相对位移量(mm);

θ：风荷载标准值作用下主体结构层间位移角限值(rad)；

hg：幕墙玻璃面板高度(mm)；

δz：地震作用下结构硅酮密封胶的变位承受能力;

2)竖向隐框、半隐框玻璃幕墙中玻璃和铝框之间硅酮结构密封胶的粘接宽度Cs，应按根据受力情况分别按下列规定计算。非抗震设计时，可取第1、3款计算的较大值；抗震设计时，可取第2、3款计算的较大值。

1 在风荷载作用下，粘接宽度cs应按下式计算：

cs = wa/2000f1

试中cs ― 硅酮结构密封胶粘接宽度（mm）；

w ― 作用在计算单元上的风荷载设计值（kN/m2）；

a ― 矩形玻璃短边长度（mm）；

f1 ― 硅酮结构密封胶在风荷载或地震作用下的强度设计值，取0.2N/mm2。

2 在风荷载和水平地震作用下，粘接宽度cs应按下式计算：

cs= （w+0.5qE）a/2000f1

试中qE ― 作用在计算单元上的地震作用设计值（kN/m2）。

3 在玻璃永久荷载作用下，粘接宽度cs 应按下式计算：

cs= qGab/2000（a+b）f2

试中qG― 幕墙玻璃单位面积重力荷载设计值（kN/m2）；

a、b ― 分别为矩形玻璃板短边和长边长度（mm）；

f2 ― 硅酮结构密封胶在永久荷载或地震作用下的强度设计值，取0.01N/mm2。

同时，硅酮结构胶还需要满足下面要求：

1：粘接宽度≥7mm；

2：12mm≥粘接厚度≥7mm；

3：粘接宽度大于厚度，但不宜大于厚度的2倍，但是在实际情况下，不大于厚度的3倍是可以的。

二、幕墙抗震构造措施

玻璃幕墙的抗震设计需考虑对幕墙本身设防和对幕墙所依附的建筑物主框架的变形限制。幕墙本身设防要求采用在设防烈度地震作用及其组合荷载作用下的面板不破损和幕墙框格杆件无残余变形。幕墙应依据所依附的建筑物主框架在幕墙平面内的变形确定幕墙的变形承载能力加以限制。抗震设防采用三个水准与二阶段设计，第二水准烈度地震作用是第一水准地震烈度的3倍。近似地，把在众值烈度地震作用下采用弹性方法计算的楼层层间位移与层高之比折算成第二水准弹塑性位移，就得到了与幕墙平面内变形临界值的对应值。 以上分析表明，对幕墙平面内变形性能的要求与建筑结构类型有关，即要根据结构类型选用具有不同平面内变形性能的幕墙。

幕墙自身其结构上采用的各种位移、伸缩、变位能力的处理措施（如幕墙立柱层间伸缩缝、立柱与横粱间伸缩缝、板块间缝隙控制填胶、玻璃的结构胶粘接、玻璃卡槽内间隙控制、胶垫软接触等等），使得幕墙构件不承担因地震使建筑主体结构产生变位而对它产生荷载（各种弯曲、拉伸、挤压等应力），从而保持了幕墙自身结构的完整和安全以及作为建筑外墙围护可靠功能。

1.不同幕墙体系的构造要求

1）铝合金玻璃幕墙的抗震能力主要取决于它所依附的建筑主框架的抗震能力和自身的抗震构造。这样就需要对铝合金玻璃幕墙和幕墙所依附的建筑物两个方面都提出具体设防要求，即当铝合金玻璃幕墙所依附的建筑物遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，普通型幕墙与幕墙平面平行和垂直两个方向的主框架及隐框幕墙与幕墙平面垂直方向的主框架楼层内最大的弹性层间位移角不能大于表01。在罕遇地震作用下结构薄弱层应进行弹塑变形验算。在抗震设计时，幕墙的抗震能力指标值应不小于主体结构弹性层间位移角控制值的3倍。特别要注意的是建筑结构为多、高层钢结构时，幕墙的抗震能力是非钢结构建筑幕墙的2倍以上，以适应钢结构的柔性变动能力。

2) 明框、半隐框幕墙的玻璃边缘至边框槽底的间隙必须采用弹性材料填塞。

隐框、半隐框幕墙板块间胶缝宽度应适当控制，应不小于12mm，并以弹性材料填塞，即内填泡沫棒外注硅酮耐候密封胶。

3)石材幕墙，石材面板一般采用插件和挂件连接，为防止插件（挂勾）从插槽（挂槽）中脱出，GB/T21086《建筑幕墙》表51石材面板挂装系统安装允许偏差 对挂勾与挂槽搭接深度偏差、插件与插槽搭接深度偏差作了规定。

对于普通短槽挂件石材幕墙合理地使用挂件槽弹性类填胶，可实现良好的抗震性能。

对于背栓式石材(采用双切面背栓连接)具有良好抗震性能，但要严格控制孔径偏差不超过0.5mm，且孔深要大于15mm。

4)金属幕墙，由于面板不属于脆性材料，一般变形不会破坏。相对比玻璃幕墙有较好抗震性能。

5)钢结构雨篷由于采用钢龙骨，一般为独立系统，计算单独考虑地震作用，也具有较好的抗震能力。

6) 点支承玻璃幕墙,由于支承头连接都能适应玻璃面板在支承点处的转动变形；支承头的钢材与玻璃之间应设置弹性材料的衬垫或衬套，衬垫和衬套的厚度不宜小于1mm，因此也具有较好抗震性能。

7）全玻幕墙抗震性能较差，因此要求全玻璃幕墙的周边收口槽壁与玻璃面板或玻璃肋的空隙均不宜小于8mm，而且板面不得与其他刚性材料直接接触，板面与装修面或结构面的空隙不应小于8mm，且应采用密封胶密封。下端支承式全玻璃幕墙(落地玻璃)易被主体结构墙体变形挤坏，按规范要求玻璃高度超限的全玻幕墙应悬挂在主体结构上(即吊挂玻璃)。

8)单元式幕墙，一般为插接型，单元部件之间应有一定的搭接长度，竖向搭接长度不应小于10mm，横向搭接长度不应小于15mm。 因此具有良好的抗震性能。

2.幕墙不同连接部位的构造要求

1)立柱与横梁之间的连接

立柱与横梁连接可通过角码、螺钉或螺栓连接。角码应能承受横粱的剪力，其厚度不应小于3mm；角码与立柱之间的连接螺钉或螺栓应满足抗剪和抗扭承载力要求。

立柱与横梁之间应有1~2mm的间隙，横梁两端应涂密封胶或用柔性垫片隔离。

2) 立柱与立柱之间伸缩缝

上、下立柱之间应留有不小于15mm的缝隙，闭口型材可采用长度不小于250mm的芯柱连接，套筒伸入铝合金立柱内不应小于100mm；芯柱与立柱应紧密配合,其配合间隙应控制在0.5mm～1mm之间。芯柱与上柱或下柱之间应采用机械连接方法加以固定。开口型材上柱与下柱之间可采用等强型材机械连接。

3)与主体连接

幕墙主杆件一般采用悬挂形式，与主体必须连接牢固，一般采用螺栓连接。立柱与主体结构之间每个受力连接部位的连接螺栓不应少于2个，且连接螺栓直径不宜小于10mm。加工铝合金立柱与结构连接的螺栓孔时，立柱孔直径要比螺栓直径大1mm。

立柱与连接件之间应采用垫片隔离。铝合金立柱与结构连接角钢之间必须采用弹性垫片(如尼龙等)且垫片厚度≥2mm。

玻璃幕墙构架与主体结构采用后加固锚栓连接时，对于后补锚栓应符合下列规定：

（a）产品应有出厂合格证；

（b）碳素钢锚栓应经过防腐处理；

（c）应进行承载力现场试验，必要时应进行极限拉拔试验；

（d）每个连接点不应少于2个锚栓；

（e）锚栓直径应通过承载力计算确定，并不应小于10MM；

（f）不宜在与化学锚栓接触的连接件上进行焊接操作；

（g）锚栓承载力设计值不应大于其极限承载力的50%。

另外，后补锚栓采用后切式膨胀螺栓，抗震性能也较好。

4)变形缝处理

地震时建筑物主框架变形缝处主框架变位是必然的（主框架变形缝大小由主体结构决定），对于幕墙要正确处理主框架变形缝部位幕墙的构造。在建筑物主框架变形缝处的幕墙采用可伸缩构造（如采用风琴板构造等），使变形缝处两侧面板分属不同两个独立的单元。

变形缝抗震作用大，门窗幕墙应重视变形缝节点设计。按照建筑抗震设计规范要求，设计变形缝时起码龙骨间的距离要和土建变形缝大小一致，满足第三水准要求；易挤压破碎掉落的面板间距离可以根据第二水准计算确定；中间过渡材料可采用弹性材料(比如橡胶)或采用较薄的金属板材，最好可以水平滑动。

3.幕墙龙骨系统对抗震性能的影响

一般钢结构支撑系统抗震性能较好。

三、结束语

我国建筑幕墙起步虽然较晚，但从起步开始我们就把建筑幕墙的抗震设计作为一个重要的问题，只要我们按照规范的要求，认真设计，认真施工，就可以使幕墙达到小震完好，中震可修，大震不掉的要求。

参考文献

1. 《建筑抗震设计规范》GB50011一2001(2008年版)

2. 《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223一2008

3. 《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ l02一2003）

4. 《建筑结构荷载规范》GB 50009―2001

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。